2020 Fiscal Year Research-status Report
AIと周波数分析によるセメントレス人工股関節挿入巧打音の特性解析
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19K18542
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| Research Institution | Juntendo University |
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Principal Investigator |
本間 康弘 順天堂大学, 医学部, 講師 (80732883)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 叩打音特性 / FFT解析 / 骨形態 / 髄腔占拠率 / 予測確率 / AI / 機械学習 / 合併症予防 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1：in vitro； 骨モデルを用いたインプラント挿入試験；2019年度の実験で明らかになった課題である、ハンマー自体の振動・音の影響を最小限にする打検ハンマの開発を、共同研究機関である東京電機大学で実施し、プロトタイプの開発に成功した。打検ハンマのFEモデル作成と固有値解析，ならびに，１次・２次試作を経て，ハンマヘッドとグリップとが一体となった円すい型打検ハンマの3次試作によりその固有振動数が本研究での解析対象レンジ0.5-12kHz以外であることを確認した。
2: in vivo; 実際の手術で発生する巧打音解析；2019年度に引き続き、手術時の叩打音の解析を行い、次の成果を得た。
2-1) ステム挿入時の叩打音変化の特性解明：合併症非発生手術におけるステム挿入前期・後期の叩打音に対しFFT解析を実施。ステム挿入後期は前期に比べ有意に音圧が強く、相対音圧(全体音圧に対する各バンドの音圧の比)は、1.0–1.5-kHz において有意差を認め、骨形態・髄腔占拠率が叩打音特性とも関連することを明らかにした。
2-2)叩打音の定量・定性的特性により高確率で術後合併症の一つであるステム沈下を予測するモデル式の確立：術後ステム沈下の有無を目的変数、叩打音特性を説明変数と設定し多変量解析による予測式の結果、ROC-AUC=0.85の予測確率を得た。
2-3)機械学習による適切な叩打音を判断する二項分類のアルゴリズムを開発：大腿骨用ラスプ最終サイズを正、それ以外のサイズを誤としそれぞれの叩打音を機械学習で識別させた複数アルゴリズムを作成し、ROC-AUC は 0.48～0.90であった。
2-4) 寛骨臼カップ挿入時の叩打音変化の特性解明：カップが挿入されるにしたがい、特定の周波数領域(3.5-4.0, 5.5-6.0kHz)の音圧・相対音圧とカップ挿入深度と正の相関を認た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
[進捗状況]
当初の計画では、以下の３つをマイルストーンとして設定した。
①3Dプリンター技術を用いて、骨形態・質が異なる骨モデルを作成②骨モデルを用いたインプラント挿入試験で発生する音と振動を分析③実際の手術で発生する巧打音の周波数特性と合併症の関係性を解明
まず、③に関しては、臨床検体を用いて解析を進めていく過程で、異なる種類のインプラントや手術機器により、叩打音特性が異なること、さらには、骨形態やインプラントが大腿骨髄腔内に占める割合なども叩打音特性に影響を与えることを明らかにした。すなわち、叩打音特性に影響を与える因を明確にする事を達成した。そして、そのような叩打音特性に影響を与える因子を多変量解析もしくは機械学習により分析を行える検体数を確保するところまで進捗した。その結果、叩打音特性による合併症予測モデルを作成し高確率で予測する事が可能となった。これらの結果は、3回の学会発表、3編の英語論文として完成した。また、上記は全て大腿骨側の解析であるが、それらに加え寛骨臼側の解析も現時点で約30例実施できており、十分に進捗している。
一方、①と②に関しては、3Dプリンター技術を用いた骨モデルを作成する前に、叩打音周波数特性に影響を与えないハンマーの開発が優先される状況であることが2019年度の研究結果として判明し、2020年度にその開発に成功した。ハンマヘッドとグリップとが一体となった円すい型打検ハンマの3次試作によりその固有振動数が本研究での解析対象レンジ0.5-12kHz以外であることを確認した。この内容は、日本語論文として投稿し採択された。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り、引き続き実際の手術での叩打音(in vivo)と模擬手術での叩打音(in vitro)を両軸にし、以下のごとく研究を進めていく。
1： 模擬手術(in vitro)：2020年度に開発を行った円すい型打検ハンマを使用し、模擬骨を用いた模擬手術を行い、インプラント種類、叩打方法（加速度）・挿入方法（適切挿入・不適切挿入・骨折発生）を設定し、それぞれの状況に応じた叩打音特性の解析を行う。なお、叩打音解析に加え、小型加速度計を模擬骨やインプラントに装着し、物体の加速度も同時に計測し、対象物体の振動状況も解析することで、叩打音特性の詳細な解析を行う予定である。
2： 通常ハンマーを用いた実際の手術での叩打音解析(in vivo)；2020年度の内容を継続して、実際の手術の際の叩打音の録音・解析を行っていく。今までに特定した叩打音特性に影響を与える因子を考慮しつつ、階層解析をしていく。また、多施設研究として大規模な患者数を確保し、叩打音による合併症予測モデルの外的妥当性を検証していく。同時に、機械学習による合併症予防アルゴリズムのさらなる妥当性向上を目指す。
3: 1で実施する基礎実験で、円すい型打検器の有用性が明らかになった場合、実際の臨床においても当該打検器を用いた叩打音特性の解析を実施する。叩打音特性に影響を与える因子を減らし解析が可能となり、診断精度上昇が期待できる。
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| Causes of Carryover |
2020年に実行予定であった模擬骨を用いた基礎実験が、新型コロナウイルス流行により、予定していた実験場所である東京電機大学への入校制限が生じ当初の予定通り実施することができなかった。そのため、基礎実験に必要な模擬骨などの備品の購入を行わなかったため、次年度使用額が生じた。当該使用額は2020年度に予定した実験を2021年度に行う際に、必要物品の購入に用いる予定である。
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] 人工股関節挿入時の叩打音解析を目的としたハンマー固有周波数の検討2020
Author(s)
石井 聖也, 本間 康弘, 馬場 智規, 庄 徐, 田邉 浩規, 幡野 佐己依, 渡 泰士, 金子 和夫, 神田 章男, 諸橋 達, 岩瀬 秀明
Organizer
第35回日本整形外科学会基礎学術集会
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[Presentation] セメントレスステム挿入時の叩打音変化の定量的解析2020
Author(s)
庄 徐, 本間 康弘, 石井 聖也, 白銀 優一, 馬場 智規, 幡野 佐己依, 渡 泰士, 諸橋 達, 神田 章男, 岩瀬 秀明, 金子 和夫
Organizer
第35回日本整形外科学会基礎学術集会
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[Presentation] 大腿骨形態とステム髄腔占拠率に注目したセメントレスステム挿入時叩打音の定量的分析2020
Author(s)
庄徐, 本間康弘, 石井聖也, 白銀優一, 馬場智規, 幡野佐己依, 渡泰士, 諸橋達, 神田章男, 岩瀬嘉志, 金子和夫
Organizer
第47回日本股関節学会学術集会
